含凹坑缺陷的推進(jìn)劑儲(chǔ)存容器安全性評價(jià)*

劉宗虎，王富強(qiáng)

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

推進(jìn)劑貯存容器存放的介質(zhì)(偏二甲肼)具有劇毒、腐蝕、易燃等特點(diǎn)，一旦泄漏，會(huì)給人員、裝備造成重大損失，使用時(shí)必須經(jīng)常進(jìn)行氣密性檢測與安全性評估[1-3]。從實(shí)驗(yàn)和長期使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)來看，設(shè)備在制造、安裝過程中，由于操作不當(dāng)，一些因素，如裂紋(表面裂紋、內(nèi)埋裂紋和半露頭裂紋)、變形等嚴(yán)重影響其安全使用。胡寬等[4]考慮到貯存容器材料性能、受力、強(qiáng)度和裂紋初始尺寸等參數(shù)的隨機(jī)性，建立了推進(jìn)劑貯存容器概率安全評定壽命預(yù)測模型，研究表明比確定性的標(biāo)準(zhǔn)評定更為合理。袁杰紅等[5]通過對推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)的合理簡化，將線彈簧模型應(yīng)用于未穿透裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解，不僅能求解表面裂紋問題，還能求解內(nèi)埋裂紋和半露頭裂紋問題，該方法與傳統(tǒng)的數(shù)值方法比較，大大減少了編程和計(jì)算量，更加適合于工程實(shí)際應(yīng)用。眾多學(xué)者從裂紋角度對推進(jìn)劑儲(chǔ)存容器進(jìn)行了安全性分析，而實(shí)際中由于吊裝或搬運(yùn)過程中容器的變形也成為不容易發(fā)覺的潛在安全隱患，容易被忽視。因此，作者利用ANSYS有限元分析軟件對西安航天推進(jìn)技術(shù)研究所試驗(yàn)基地的含有凹坑缺陷的推進(jìn)劑貯存容器進(jìn)行安全性分析，并對殼體中的等效應(yīng)力進(jìn)行研究，進(jìn)一步為推進(jìn)劑貯存容器的安全使用提供理論指導(dǎo)。

1 儲(chǔ)存容器性能參數(shù)

推進(jìn)劑儲(chǔ)存容器為圓柱型儲(chǔ)罐，在運(yùn)輸安裝過程中，由于外力作用，在筒體接近封頭位置出現(xiàn)變形，形成凹坑，凹坑缺陷直徑D≈600 mm，凹坑缺陷深度h=50 mm，推進(jìn)劑儲(chǔ)存容器材料為不銹鋼0Cr18Ni9Ti，其他主要參數(shù)見表1。

表1 推進(jìn)劑儲(chǔ)存容器基本參數(shù)

2 有限元模型建立

采用ANSYS Workbench14.5進(jìn)行建模，在承受壓力時(shí)，其缺陷附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域有出現(xiàn)最先被破壞的趨勢，所以在進(jìn)行模擬分析時(shí)一般都是選取包含缺陷區(qū)域容器的一部分進(jìn)行研究，課題在模擬中選取缺陷形狀為球形模型。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，為了消除邊界效應(yīng)，根據(jù)圣維南原理[6-7]，有限元模型的長度取容器直徑的3～5倍，在進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)選取儲(chǔ)存容器模型的 1/2進(jìn)行模擬分析研究。為了對比分析，建立了不含和含有凹坑缺陷時(shí)的儲(chǔ)存容器模型，見圖1和圖2。

圖1 不含凹坑模型

圖2 含有凹坑模型

選擇三維八節(jié)點(diǎn)六面體SOLID45單元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，缺陷處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，分析的重點(diǎn)應(yīng)該在缺陷及周邊處，該區(qū)域加大網(wǎng)格劃分密度，提高有限元分析的準(zhǔn)確性[8]。

由于推進(jìn)劑儲(chǔ)存容器均為圓柱形，因此容器完全對稱，邊界條件選擇時(shí)，一端進(jìn)行軸向位移約束，縱向?qū)ΨQ兩界面施加對稱約束，容器另一端界面施加載荷約束，實(shí)際容器所受的載荷主要為內(nèi)壓和彎矩，其他載荷對管道影響很小，可以忽略，在分析中只考慮0.2 MPa內(nèi)壓作用。

失效判定應(yīng)該依照失效準(zhǔn)則進(jìn)行判定，而失效模式很大程度上決定了失效準(zhǔn)則的選擇。對儲(chǔ)存類容器的失效模式，大多認(rèn)為是局部塑形失效，也就是說在缺陷區(qū)域內(nèi)，若有任一點(diǎn)達(dá)到管道的屈服強(qiáng)度，管道就意味著失效。容器是否失效可參照塑性失效準(zhǔn)則，腐蝕缺陷區(qū)的最小等效應(yīng)力應(yīng)按第四強(qiáng)度理論確定極限壓力，見公式(1)[9]。

≤[σ]

(1)

式中：σ1、σ2、σ3為三方向的主應(yīng)力，MPa；σvmes為等效應(yīng)力，MPa；[σ]為材料的許用應(yīng)力，MPa。

3 儲(chǔ)存容器有限元分析

3.1 不含凹坑缺陷壓力容器有限元分析

對不含凹坑壓力容器進(jìn)行有限元分析，用來對比凹坑及補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)果。容器外壁的應(yīng)力云圖見圖3。

圖3 不含凹坑儲(chǔ)存容器分析結(jié)果

由圖3可知，容器壁面上應(yīng)力分布較為均勻，容器筒體的等效應(yīng)力最大為27.3 MPa，由于該應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力102.5 MPa，說明在沒有缺陷時(shí)，容器本身能夠滿足強(qiáng)度的安全性要求，該容器在出廠時(shí)無強(qiáng)度安全問題。

3.2 含凹坑缺陷儲(chǔ)存容器有限元分析

儲(chǔ)存容器存在凹坑缺陷會(huì)影響其應(yīng)力分布的均勻性，造成應(yīng)力集中，應(yīng)力在缺陷位置會(huì)出現(xiàn)急劇增大現(xiàn)象，給容器的使用帶來安全隱患[10]。通過建立具有球形凹坑缺陷的容器模型，進(jìn)行力學(xué)分析，確定應(yīng)力集中位置及最大等效應(yīng)力，研究凹坑缺陷直徑和深度2個(gè)參數(shù)對容器應(yīng)力集中的影響程度，分析了其隨直徑和深度的變化趨勢，為后續(xù)的安全評定工作提供依據(jù)。

3.2.1 不同直徑下等效應(yīng)力分析

假設(shè)凹坑缺陷深度h=50 mm固定不變時(shí)，當(dāng)凹坑缺陷直徑D=400、500、600、700、800及900 mm時(shí)，對模型進(jìn)行等效應(yīng)力計(jì)算，應(yīng)力云圖見圖4，最大等效應(yīng)力隨凹坑缺陷直徑的變化趨勢見圖5。

a D=400 mm

b D=500 mm

c D=600 mm

d D=700 mm

e D=800 mm

f D=900 mm圖4 不同直徑下應(yīng)力云圖

由圖4可知，最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在容器外壁凹坑頂點(diǎn)處，最大應(yīng)力值均大于不含凹坑容器壁面的等效應(yīng)力，說明在凹坑缺陷部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

D/mm圖5 最大等效應(yīng)力隨凹坑缺陷直徑的變化趨勢圖

由圖5可知，最大等效應(yīng)力隨著凹坑缺陷直徑的增加而增大，該值基本與凹坑缺陷直徑成正比關(guān)系。當(dāng)凹坑缺陷直徑從500 mm增加到600 mm時(shí)，等效應(yīng)力值基本無變化，可能是由于在該條件下，凹坑缺陷深度對等效應(yīng)力起到限制作用。

3.2.2 不同深度下等效應(yīng)力分析

假設(shè)凹坑缺陷直徑固定不變?yōu)镈=600 mm，分別分析凹坑缺陷深度h=50、60、70、80、90、100及110 mm時(shí)的受力情況，由于h=50 mm、D=600 mm已經(jīng)分析過，故只需要對h=60～110 mm分析即可，結(jié)果見圖6。

a h=60 mm

b h=70 mm

c h=80 mm

d h=90 mm

f h=110 mm圖6 不同深度下應(yīng)力云圖

由圖6可知，隨著凹坑缺陷深度的增加，最大等效應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)凹坑缺陷深度為110 mm時(shí)，等效應(yīng)力可達(dá)到80.4 MPa，接近材料的許用應(yīng)力。

容器等效應(yīng)力隨凹坑缺陷深度變化趨勢見圖7。

h/mm圖7 最大等效應(yīng)力隨凹坑缺陷深度的變化趨勢

由圖7可知，最大等效應(yīng)力與凹坑缺陷成正比關(guān)系，且變化趨勢較為明顯，當(dāng)凹坑缺陷深度從70 mm增加到80 mm時(shí)，等效應(yīng)力基本不發(fā)生變化。在該條件下，該位置處可能發(fā)生了塑性變形，材料出現(xiàn)硬化強(qiáng)化作用，承載能力會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)[11-12]。

通過對比圖5與圖7可知，最大等效應(yīng)力隨凹坑缺陷深度增加變化較快，凹坑缺陷深度從50 mm增加到110 mm，最大應(yīng)力從55 MPa增長到80 MPa，而隨凹坑缺陷直徑變化較為平緩，因此凹坑缺陷深度對最大等效應(yīng)力的影響大于凹坑缺陷直徑的影響。同等條件下，凹坑缺陷深度的改變?nèi)菀滓鹑萜骶植慨a(chǎn)生更大的集中應(yīng)力，對容器的安全性和可靠性影響更大。

3.3 補(bǔ)強(qiáng)措施及補(bǔ)強(qiáng)效果

由上述分析可得，當(dāng)容器表面不含凹坑時(shí)，容器所受應(yīng)力均勻分布，均值約為26.5 MPa(見圖3)；當(dāng)容器表面含有凹坑(D=600 mm，h=50 mm)時(shí)，在凹坑附近形成應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為σ=55.24 MPa(見圖4c)。該等效應(yīng)力值遠(yuǎn)小于容器材料的許用應(yīng)力[σ]=102.5 MPa，可以保證容器的安全性。由于容器儲(chǔ)存介質(zhì)的特殊性，推進(jìn)劑加注事關(guān)國家安全問題，應(yīng)杜絕容器存在的一切不安全因素。因此，對凹坑部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)鋼板與容器本體材料一致為0Cr18Ni9Ti，補(bǔ)強(qiáng)鋼板尺寸為100 mm×100 mm，厚度δ=10 mm，對該補(bǔ)強(qiáng)后模型進(jìn)行受力分析后，應(yīng)力云圖見圖8，位移云圖見圖9。

圖8 補(bǔ)強(qiáng)后應(yīng)力云圖

圖9 補(bǔ)強(qiáng)后位移云圖

由圖9可知，補(bǔ)強(qiáng)板與凹坑形成的空間，當(dāng)承受壓力時(shí)該空間較安裝后縮小，壓縮內(nèi)部空氣，容易產(chǎn)生正壓，因此在補(bǔ)強(qiáng)板上設(shè)有開孔及角閥，以便在容器增壓過程中對該空間放氣。

凹坑補(bǔ)強(qiáng)前后應(yīng)力云圖對比見圖10。

a 補(bǔ)強(qiáng)前

b 補(bǔ)強(qiáng)后圖10 凹坑補(bǔ)強(qiáng)前后應(yīng)力云圖對比

由圖10可知，通過對比補(bǔ)強(qiáng)前后等效應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)后補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)筒體的等效應(yīng)力明顯降低，普遍低于容器本體應(yīng)力值，最大集中應(yīng)力也由補(bǔ)強(qiáng)前的55.9 MPa降低至39.8 MPa，有效改善了凹坑附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，容器的可靠性、安全性顯著提升。

4 結(jié) 論

(1)推進(jìn)劑儲(chǔ)存容器凹坑缺陷會(huì)引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大等效應(yīng)力點(diǎn)均位于容器外壁凹坑頂點(diǎn)處；

(2)當(dāng)推進(jìn)劑儲(chǔ)存容器存在凹坑，凹坑缺陷深度對最大等效應(yīng)力的影響程度要大于凹坑缺陷直徑，是影響儲(chǔ)存容器安全性的關(guān)鍵因素，需在實(shí)際中多關(guān)注缺陷的深度，深度增加到一定程度，應(yīng)停止使用；

(3)采取補(bǔ)強(qiáng)措施可以有效降低凹坑附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可降低容器使用風(fēng)險(xiǎn)，兼具安全性和經(jīng)濟(jì)性，但在實(shí)際中，由于儲(chǔ)存介質(zhì)的特殊性，一旦出現(xiàn)缺陷，應(yīng)密切關(guān)注或更換。